理解“力的分解”的几个有益的实验

高中物理人教版必修Ⅰ中的《力的分解》一节, 对刚刚进入高一的学生而言, 难度较大。教师往往教得辛苦, 学生学得痛苦。究其原因, 一是学生刚从初中到高中, 由于知识面较窄, 对力的认识不够深刻, 对力产生的作用效果不够明白;二是学生很少体验到分力产生的作用效果。为了学生更好地理解和体验力产生的作用效果, 以下几个易操作、现象明显的实验可助学生一臂之力。

实验一:代替拖拉机耕地的实验

《力的分解》一节, 从拖拉机拉着耙耕地的实例入手, 引入了“力的分解”概念, 介绍“力的分解”同样遵守平行四边形定则, 课本上的图3.5-1, 主要是要让学生体会拖拉机对耙的拉力可以用两个分力F1、F2来代替, 同时也点明了为什么要用F1、F2来替代。其原因是我们平时的经验, 耙在水平方向要前进和它陷入泥土中有一定的深度。虽然教材上说的清清楚楚, 明明白白, 但对高一的新生, 很多学生见都没见过拖拉机拖耙耕地, 所以学生对拉力的作用效果不够理解, 为了让学生能直观体会, 可以用一下实验来演示拖拉机对耙的拉力产生的作用效果。

在水平的桌面上放两个砝码盒, 或者每边重叠放上两个砝码盒, 这样便于学生看得更清楚, 再在盒上放一较长较软的塑料尺 (塑料尺的长度大概在40cm, 也可用安装电线的槽板) 。把两个重为200 g的槽码重叠地放在塑料尺上, 这时, 学生能清楚的看到塑料尺被压弯且有较大的形变, 如果需要形变大点或小点, 可以增减槽码个数来实现。取下槽码, 用一根长为80cm左右深色的细线, 一端系住即将放到最下面的槽码 (深色线比白色线的可见度更高) , 然后用手拉住线的另一端用力轻轻地斜向上拉, 直到把槽码拉动, 这时学生看到塑料尺的形变明显地减小, 而且还看到塑料尺上的槽码沿水平方向运动, 此时水平方向的分力F1以及竖直方向分力F2的作用效果真相大白了, 学生看到这个实验后, 对力的分解的理解水到渠成。

实验二:重力作用效果实验

教材中介绍静止在斜面上的物体, 这个例题是根据重力的作用效果来确定两个分力的方向, 但课本介绍重力产生的作用效果也只能凭平时的经验。高一的新生不是很容易理解这个问题, 为了观察物体压斜面的效果, 可用薄钢板或木板等做斜面, 物体沿斜面下滑时能清楚的看到斜面的弯曲形变。但这样做比较费事, 而且学生还是没有深刻的体会物体有沿斜面下滑的趋势和压紧斜面的状况。为了让学生有所体验, 可以设计这样一个小实验。让学生把手斜向下伸直, 手心朝上, 在手掌上方放一本较厚的词典, 让学生适当地调整手的倾斜程度。在适当的位置, 即词典即将下滑的时候, 学生明显地感觉到词典有下滑的趋势, 同时词典给手有压力。学生体会后自然而然就知道重力产生的作用效果, 以及如何对重力进行分解了。

这个例题是学生学习物理的基本内容, 在今后的学习中经常会遇到。教师要利用好这个例题, 解决了这个问题后。对一座大桥为什么要修较长的引桥, 盘山公路为什么要“盘山”等实例相联系, 使物理用于生产和生活, 对学生学习物理会激发出较大的热情。

实验三:横杆模型

如图1所示, 图中的横杆的受力方向对学生而言难以理解, 很多新学看到这种模型边无从下手, 甚至望而生畏, 所以教师要注意这种模型的教学, 要做好这种模型的演示实验, 让学生从实验中真正体会这种模型的内涵, 以便弄清楚这个模型后能达到举一反三的效果, 其实这是一大类问题, 解决了这个问题, 学生就可以解决一类问题。

这个实验老师可以利用身边的器材自做一个简单的实验装置来演示:在铁架台的竖直杆上的中上部适当的位置, 用细线绑住一根带铁圈的铁杆 (带铁圈的铁杆是指化学实验中用来垫石棉网进行加热的铁圈) , 在铁圈上紧贴着一层气球皮 (气球剪去吹气口较小的部分, 然后罩在铁圈上) , 我们看到罩到铁圈上的气球皮明显的绷紧, 用手指按有着明显的形变。再在铁架台竖直杆上靠顶端架一横杆。用一长约30cm的细小直竹棍做支杆, 竹棍一端用电钻钻一小孔, 再用中间拴有橡皮筋的细绳拴在小孔上, 斜向上拉住竹棍, 小竹棍的另一端靠在气球皮上。拿另一根细绳一端挂一重物, 另一端套在竹棍的同一小孔上, 调整斜拉绳的位置, 使竹棍水平。这时我们看到气球皮被竹竿的一端压着向外突出, 这充分表明横杆受到了沿着杆的水平压力作用, 斜拉绳子上的橡皮筋也被明显拉长, 表明细绳受到了拉力作用, 吊重物的竖直绳的拉力产生的作用效果就不言而喻了。

为了使这个装置发挥更大的作用, 演示了这个实验后, 还可以利用这个装置演示其他实验, 如把横杆斜向上或斜向下, 我们同样可以看到气球皮被竹竿的一端压着向外突出, 说明细杆还是受到了沿杆的力的作用, 斜拉的细绳上的橡皮筋依然被拉长, 说明细绳也受到了拉力, 吊重物的竖直绳的拉力产生的作用效果可以一目了然了。

当然, 这个实验还可这样去演示。让一个学生用一只手叉腰站着, 另一个同学用手压叉腰同学的肘关节, 叉腰同学会感到手臂有拉力, 肘关节以下的手有压力, 这个实验给学生的感觉最好, 印象更深。

实验四:V型槽模型实验

两块相同的木块其一端用铰链连在一起, 形成V型槽。用V型槽夹住一铅球或一实心球, 球的重力将产生压两边板的作用效果, 一般用眼睛直接观察难以看到压两边板的作用效果, 为了显示两个作用效果, 我们可以找两块相同的海绵, 其宽度与板宽差不多, 海绵侧面用记号笔画上几条明显的平行线后分别靠在两板上, 再将两块薄的塑料片或铁片 (长宽要相同, 表面光滑) 放在泡沫上, 为了减小摩擦, 实验时可在塑料薄片或铁皮的接触面上撒一些滑石粉, 板向中间压紧, 我们看到海绵发生了明显的形变, 且海绵上的平行线明显地发生了弯曲, 这充分说明了海绵受到了压力, 同时这个实验充分地说明了球对两板有压力, 重力的分解也显而易见了。